Luận án tiến sĩ nghiên cứu kìm quang học phi tuyến sử dụng màng mỏng màu hữu cơ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI - 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ĐOÀN QUỐC TUẤN NGHIÊN CỨU KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG MỎNG MÀU HỮU CƠ ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN CÁC VI HẠT Ngành: Quang học Mã số : 9.10 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. Nguyễn Thu Cầm 2. Hồ Quang Quý HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ một công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.

Ngƣời cam đoan Đoàn Quốc Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Luận án này được thực hiện và hoàn thành tại Viện Vật lý kỹ thuật- Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Nguyễn Thu Cầm và PGS. Hồ Quang Quý. Tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới hai thầy hướng dẫn, những người đã định hướng khoa học, chỉ bảo tận tình và động viên nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu để hoàn thành luận án.` Nghiên cứu sinh gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám đốc Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Thủ trưởng Cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng/Bộ Tổng Tham mưu, Thủ trưởng và cán bộ-nhân viên Phòng Đào tạo, Thủ trưởng Viện Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu.

Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các giảng viên, các nhà khoa học của Viện Vật lý kỹ thuật, Tạp chí Khoa học & Công nghệ Quân sự và các đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến khoa học bổ ích cho nội dung của luận án cũng như đã tạo điều kiện và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các bạn bè, đồng nghiệp và đặc biệt cảm ơn những người thân trong gia đình đã quan tâm, động viên, giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận án. Xin trân trọng cảm ơn! Tác giả luận án Đoàn Quốc Tuấn iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.

x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU. xiii MỞ ĐẦU. Tính cấp thiết của đề tài luận án:. Mục tiêu của luận án:.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:. Nội dung nghiên cứu:. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Bố cục của luận án. 5 KÌM QUANG HỌC ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN VI HẠT. Tổng quan về phát triển của kìm quang học. Quang lực tác động lên vi hạt.

Bẫy quang học. Một số kìm quang học sử dụng điều khiển vi hạt. Kìm quang học giao thoa. Kìm quang học lệch tia quang-âm.

Kìm quét tia laser hai chiều. Mảng kìm thông minh. Kìm quang học điều khiển vi hạt bằng bàn gốm áp điện. Kìm quang học phi tuyến.

Kết luận chương 1. 32 KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN SỬ DỤNG MÀNG. 32 CHẤT MÀU HỮU CƠ. Các chất màu hữu cơ phi tuyến cao.

Đề xuất mẫu kìm quang học phi tuyến. Nguyên lý hoạt động. Tiêu cự của thấu kính phi tuyến. Tái phân bố cường độ trong không gian pha (,z) của chùm laser Gauss.

Quang lực dọc tác động lên vi hạt điện môi. Kết luận chương 2. 48 HIỆU SUẤT BẪY CỦA KÌM QUANG HỌC PHI TUYẾN. 48 SỬ DỤNG MÀNG CHẤT MÀU HỮU CƠ.

Hiệu suất bẫy quang. OTE của NOTW. Khảo sát số ảnh hưởng của công suất laser trung bình lên OTE. Kết luận chương 3.

62 ĐIỀU KHIỂN TOÀN QUANG VI HẠT TRONG KHÔNG GIAN. Động học vi hạt tự do. Mẫu NOTW cho vi hạt tự do. Hệ phương trình Langevin.

Quỹ đạo của vi hạt trong vùng bẫy. Kéo căng phân tử ADN. Mẫu NOTW kéo căng phân tử ADN. Hệ phương trình Langevin tổng quát.

Động học của vi hạt gắn với phân tử ADN. Lựa chọn NOTW phù hợp với phân tử ADN. NOTWsử dụng kéo căng phân tử ADN chủng lamda. NOTW dùng để kéo căng phân tử BEC.

Kết luận Chương 4. 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ. 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 91 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT a [m] - Bán kính vi hạt c [3.108 m/s]-Vận tốc ánh sáng trong chân không d [m] - Độ dày lớp chất lưu ⃗ (| ⃗ |) [ N] - Véc tơ quang lực (độ lớn quang lực) Fgrad,z [N] - Quang lực gradient dọc Fgrad,ρ [N] - Quang lực gradient ngang f, fnl [m] - Tiêu cự thấu kính (phi tuyến) [J.s/rad] - Hằng số Planck I, I0 [W/cm2] - Cường độ laser ⃗⃗ - Véc tơ sóng | ⃗⃗ | [1/m] - Số sóng kB [1.38064852 ×10-23m2kgs-2K-1] - Hằng số Boltzman L [m] - Chiều dài môi trường Lb[m] - Chiều dài bền của ADN Lc[m] - Chiều dài tổng của ADN Lstr[m] - Chiều dài căng có thể của ADN m - Tỉ số chiết suất mpt - Tỉ số chiết suất phi tuyến mh[kg] - Khối lượng vi hạt N - Số phô tôn nh- Chiết suất hạt điện môi nm (nf) - Chiết suất môi trường (chất lưu) n2(nnl)[cm2/W] - Hệ số chiết suất phi tuyến nK - Chiết suất môi trường Kerr n0 - Chiết suất tuyến tính của môi trường Kerr vii P[W] - Công suất laser ⃗ [kg.m/s] - Véctơ xung lượng Q - Hiệu suất bẫy quang T[oK] - Nhiệt độ tuyệt đối t[s] - Thời gian U[J] - Năng lượng laser W0[cm] - Bán kính thắt chùm Win[cm] - Bán kính thắt chùm LGB vào Wz [cm] - Bán kính chùm tia LGB tại z Wi [0.1] - Giá trị của hàm ngẫu nhiên z[m] - Tọa độ dọc trục laser z0[m] - Độ dài Rayleigh α[N.cm3/W] - Hệ số phân cực của vi cầu lưỡng cực [N.cm2/W] - Hệ số tán xạ của vi cầu h[m/W] - Hệ số hấp thụ của chất màu hữu cơ  [kg/s] - Hệ số ma sát nhớt [kg/m.s)] - Độ nhớt [m] - Tọa độ hướng tâm [nm] - Bước sóng laser 0 [8,85 10-12 F/m] - Độ điện thẩm của chân không AND - Phân tử AND (Deoxyribonucleic acid) AOT - Kìm quang âm (Acousto-optical tweezers) AOCM - Phương pháp điều khiển quang-âm (Acousto-Optical Control) AoML - Mảng vi thấu kính (Array of microlens) Method) AoOTW - Mảng kìm quang học (Array of Optical Tweezers) ApoLB - Công suất trung bình của chùm laser (Average power of Laser Beam) viii aOCM - Phương pháp điều khiển toàn quang (All Optical Control Method) BEC - Vi khuẩn E.

Coli (Bacteria Escherichia Coli) CL - Chiều dài tổng của ADN (Contour Length) DMP - Vi hạt điện môi (Dielectric Micro Particles) EF - Lực đàn hồi (Elastic force) EMCM - Phương pháp điều khiển điện-cơ (Electro-Mechanical Control) EOCM - Phương pháp điều khiển điện-quang (Electro-Optical Control Method) Method) FDE - Phương trình vi phân hữu hạn (Finite Different Equation) FDM - Phương pháp vi phân hữu hạn (Finite Different Method) GLE - Phương trình Langevin tổng quát (General Langevin Equation) GOF - Lực gradient quang (Gradient Optical Force) ICOTW - Kìm quang học thông minh (Intelligent Control Technique Optical Tweezers) IOTW - Kìm quang học giao thoa (Interference Optical Tweezers) KE - Hiệu ứng Kerr (Kerr Effect) KF - Chất lưu Kerr (Kerr Fluid) KMP - Vi hạt Kerr (Kerr Micro Particle) LGB - Chùm laser Gauss (Laser Gausian Beam) LGOF - Quang lực gradient (Longitudinal Gradient Optical Force) LHGB - Chùm laser Hollow (Laser Hollow-Gaussian Beam) LOTW - Kìm quang học tuyến tính (Linear Optical Tweezers) ML - Vi thấu kính (Microlens) MO - Kính hiển vi (Mircoscope Objectives) NcoRI - Hệ số chiết suất phi tuyến (Nonlinear Coefficient of Refractive Index) NL - Thấu kính phi tuyến (Nonlinear Lens) NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Microlens) NOTW - Kìm quang học phi tuyến (Nonlinear Optical Tweezers) OD - Chất màu hữu cơ (Organic Dye) OF - Quang lực (Optical Force) ix OMCM - Phương pháp điều khiển cơ - quang (Opto-Mechanical Control) OT - Bẫy quang học (Optical Trap) Method) OTE - Hiệu suất bẫy quang (Optical Trap Efficiency) OTW - Kìm quang học (Optical Tweezers) NML - Vi thấu kính phi tuyến (Nonlinear Micro Lens) NA - Khẩu độ số (Numerical Aperture) PL - Độ dài biên (Persistence Length) SFE - Hiệu ứng tự hội tụ (Self-Focus Effect) SOF - Quang lực tán xạ (Scattering Optical Force) TGOF - Lực gradient ngang (Transverse Gradient Optical Force) TC - Tâm bẫy (kìm) (Trap (Tweezers) Center) TR - Vùng bẫy (Trap Region) x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Xung lượng và lực do phản xạ (a) và khúc xạ (b) của ánh sáng chiếu vào DMP .2 Hướng lực tác động lên DMP tương ứng vị trí .3 GOF của LGB tác động lên vi cầu.4 a: LGB bẫy hạt với m > 1; b: LHGB bẫy hạt với m < 1 .5 Cấu hình nguyên lý tối thiểu của OT.6 Sơ đồ chức năng chi tiết cấu tạo OT sử dụng một chùm laser .7 Sơ đồ nguyên lý của IOTW .8 Kìm quang học AOTW .9 OPTW sử dụng bộ quét tia Galvo.10 Sơ đồ cấu tạo của ICOTW .11 LOTW điều khiển DMP dọc trục laser .12 Mô tả mẫu NOTW hai chiều .13 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KF .14 Phân bố TGOF trên trục hướng tâm của KP .16 LGOF tổng trên trục chùm tia với các trường hợp: .17 NOTW ứng dụng điều khiển 3D .18 Phân bố lại cường độ của laser.19 Sự phụ thuộc của vị trí cân bằng dọc trục vào APoLB.1 Cấu trúc hóa học và công thức phân tử của Acid Blue.2 Cấu hình NOTW .3 Biễu diễn các tham số của LGB và vị trí DMP trong (,z).4 Tiêu cự của các lớp màng có độ dày phụ thuộc APoLB .5 Tiêu cự của màng có độ dày được chiếu bởi LGB có APoLB thay đổi trong khoảng (90160) mW.6 Phân bố cường độ laser trong không gian pha với các giá trị khác nhau của APoLB .7 Phân bố của LGOF trong không gian pha với các giá trị khác nhau của APoLB.8 Phân bố của LGOF tác động lên DMP với các giá trị khác nhau của APoLB.9 Hình thành TC trên trục chùm laser.10 Xác định vùng bẫy và ổn định của DMP trên trục laser.1 LGOF với APoLB khác nhau .2 “Chuông” lực - TR.3 Thay đổi TR (đường kính zst) và TC theo APoLB.4 Phân bố OTE dọc với APoLB khác nhau.5 Phân bố OTE ngang với APoLB khác nhau.6 TGOF và đường kính TR ổn định st; .